Важный вклад в практику инфракрасной спектроскопии

Государственная премия 1973 г. присуждена президенту АН БССР Н. А. Бориеевичу и кандидату  физико-математических наук В. Г.  Верещагину за исследование рассеяния излучения  дисперсными системами и создание нового класса оптических фильтров для  широкой области  инфракрасного спектра.

Содержание материала

Государственная премия 1973 г. присуждена президенту АН БССР Н. А. Бориеевичу и кандидату  физико-математических наук В. Г.  Верещагину за исследование рассеяния излучения  дисперсными системами и создание нового класса оптических фильтров для  широкой области  инфракрасного спектра.

Спектр инфракрасного излучения, испускаемого всеми нагретыми телами, имеет сплошной характер и охватывает значительный диапазон длин волн от долей до сотен микрон. С другой стороны, в огромном большинстве практических применений инфракрасного излучения необходимо выделять узкие участки такого спектра.

Инфракрасная спектроскопия широко используется для исследования строения молекул жидкостей и твердых тел, качественного и количественного анализа веществ. В астрономии анализ инфракрасного излучения, испускаемого небесными телами, позволяет определять их температуру. Это же излучение оказывается способным существенно влиять на жизненные процессы. Обычные средства такой инфракрасной спектроскопии, инфракрасные монохроматоры — это громоздкие, сложные и дорогие приборы, использование которых ограничивается рядом условий.

Задача выделения узких участков спектра в соседствующей с инфракрасным диапазоном видимой области спектра решается с помощью хорошо известных светофильтров.

По ряду причин решение проблемы фильтрации инфракрасного излучения долгое время отставало от развития других областей инфракрасной техники и от запросов практики. Во-первых, инфракрасная область спектра значительно шире, чем видимая. Во-вторых, к фильтрам, работающим в этой области, предъявляются очень жесткие требования. У источников с высокой температурой интенсивность излучения в области фильтрации может быть в тысячи раз слабее интенсивности излучения в максимуме спектра. Таким образом, чтобы фон фильтра был незначительным, пропускание излучения, соответствующего максимуму-спектра, должно составлять тысячные доли процента.

Белорусским ученым удалось преодолеть все эти сложности в результате детального изучения рассеяния инфракрасного излучения на неоднородностях среды, С конца XIX в. известно явление избирательной прозрачности растворов с взвешенными в них частицами вещества, отличающегося от раствора показателем преломления. Некоторые из таких суспензий обнаруживали свойство пропускать только определенный участок видимого спектра. Это явление весьма просто объясняется с точки зрения оптики. Дело в том, что рассеяние излучения, приводящее к уменьшению прозрачности среды, тем больше, чем сильнее отличаются между собой показатели преломления взвешенных частиц и той среды, в которую они помещены. Однако показатель преломления любой среды зависит от длины волны (на этом, в частности, основано действие обычной призмы, по-разному преломляющей различные участки видимого света), и может случиться, что для какой-нибудь длины волны показатели среды и взвешенных частиц совпадут. Тогда для излучения этой длины волны раствор оказывается прозрачным и практически не задерживает излучения. Остальные же участки спектра будут ослабленными ввиду рассеяния.

Однако для видимой области спектра дисперсионные фильтры по сравнению с другими оказались не конкурентоспособные и не нашли применения. Прежде всего, таких фильтров очень мало; свойства их изучены еще недостаточно; кроме того, они не обладают необходимой механической прочностью, а их спектральные   характеристики — стабильностью. Порошки, взвешенные в жидкостях, легко смещаются, и целостность слоя нарушается. Показатель преломления жидкостей сильно зависит от температуры, поэтому при изменении температуры будут меняться положение и форма полосы  пропускания  такой системы, если ее не поместить в  термостат. В инфракрасной области спектра добавляется еще одна трудность: слишком мало жидкостей, прозрачных для инфракрасных лучей, а известный небольшой набор таких жидкостей для отдельных областей спектра (типа сероуглерода, четыреххлористого углерода) состоит из очень летучих и нестойких веществ.

Ученые-лауреаты выдвинули идею нового типа фильтров, использующих описанное явление,— твердых фильтров, которые они назвали дисперсионными фильтрами кристалл — кристалл.

Очевидно, что если смешать порошки двух кристаллов, показатели преломления которых совпадают для некоторой длины волны, фильтра не получится, так как между частицами порошков присутствует третья среда — воздух. Удаление воздуха тоже ничего не даст, так как показатель преломления вакуума равен 1. Частицы кристаллов необходимо сблизить настолько, чтобы для заданной длины волны полости между ними не были рассеивающими центрами. В соответствии с предварительными расчетами это удалось осуществить, прессуя порошки кристаллов под давлением около 10 тыс. ат в вакууме 10–2 мм рт.ст.